DE2258661A1 - ACOUSTOOPTIC ARRANGEMENT FOR DEFLECTING AN OPTICAL BEAM - Google Patents
ACOUSTOOPTIC ARRANGEMENT FOR DEFLECTING AN OPTICAL BEAMInfo
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Description
Western Electric Company, Incorporated . Bonner 7-11-16Western Electric Company, Incorporated. Bonn 7-11-16
New York, N.Y., U.S.A. ' ? 9 R 8 R RNew York, N.Y., U.S.A. ' 9 R 8 R R
Akustooptische Anordnung zum Ablenken eines optischen Strahlenbündels Acousto-optical arrangement for deflecting an optical beam
Die Erfindung bezieht sich auf eine akustooptische Anordnung zum Ablenken eines optischen Strahlenbündels, mit einem Körper aus Paratellurit-Tellurdioxid, einer Wellenerzeugereinrichtung zur Erzeugung akustischer oder elastischer Scherwellen, welche sich längs der EllO3 Achse im Körper ausbreiten, und mit einer Frequenzmodulationseinrichtung, welche die Scherwellen derart moduliert, daß sie ein optisches Strahlenbündel um einen auf die Frequenz der Scherwellen bezogenen Winkel ablenken.The invention relates to an acousto-optical arrangement for deflecting an optical beam, with a body made of paratellurite tellurium dioxide, a wave generating device for generating acoustic or elastic shear waves, which propagate along the EllO3 axis in the body, and with a Frequency modulation device which modulates the shear waves in such a way that they create an optical beam around one deflect the frequency of the shear waves related angle.
Es ist bekannt, daß ein akustisches Strahlenbündel der Wellenlänge /\ bei seiner Wechselwirkung mit einem Lichtstrahl der Wellenlänge λ als Beugungsgitter mit dem Abstand bzw. der Gitterkonstante iV wirkt, welches den Lichtstrahl unter einem -Winkel f ablenkt, der durchIt is known that an acoustic beam of wavelength / \ in its interaction with a light beam of wavelength λ as a diffraction grating with the distance or the Lattice constant iV acts, which the light beam under a -Angle f deflects by
gegeben ist, wenn das Bragg-Gesetz erfüllt ist. In der Gleichung (1) sind θ und ip die Winkel zwischen den einfallenden und abgelenkten LichtstrahlenteündeIn) und dem akustischen Gitter und V und f die akustische Geschwindigkeit bzw. Frequenz.is given when Bragg's law is fulfilled. In equation (1), θ and ip are the angles between the incident ones and deflected beams of light) and acoustic Grating and V and f the acoustic speed and frequency, respectively.
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In dieser Form der Bragg-Winkelablenkung hat der Ablenkwinkel <P stets die gleiche Größe wie der Einfallwinkel Θ. Um das abgelenkte Strahlenbündel über einen Winkelbereich £± qj> abzutasten, ist es notwendig, einen relativ schmalen Wandler der Länge L zu verwenden, um die akustische Energie in einen Winkelbereich A θ = A/L zu streuen. Demgemäß wird das Ausgangslichtstrahlehbündel bei Modulation der akustischen Frequenz um einen Betrag Af (die Bandbreite) über einen Winkel Λ ^f abgetastet, der durchIn this form of the Bragg angle deflection, the deflection angle <P always has the same size as the angle of incidence Θ. In order to scan the deflected beam over an angular range £ ± qj> , it is necessary to use a relatively narrow transducer of length L in order to spread the acoustic energy in an angular range A θ = A / L. Accordingly, the output light beam bundle is scanned with modulation of the acoustic frequency by an amount Af (the bandwidth) over an angle Λ ^ f, which by
gegeben ist, wobei η der Brechungsindex ist. Es läßt sich zeigen, daß die Anzahl der aus dem abgetasteten Strahlenbündel .auflösbaren Punkte N gleich istis given, where η is the refractive index. It can be shown that the number of rays from the scanned beam .resolvable points N is equal to
N « |a f « tkf (3)N «| a f« tkf (3)
wobei D die Öffnung des einfallenden Lichtstrahlenbündels und T die Zugriffszeit, d.h. die vom Lichtstrahlenbündelwhere D is the opening of the incident light beam and T is the access time, i.e. that of the light beam
bezum Kreuzen der akustischen Welle /nötigte Zeit ist.to cross the acoustic wave / time is required.
Diesen bekannten akustooptisehen Licht-Ablenkeinrichtungen haften einige Probleme an. So muß insbesondere bei einer vorgegebenen akustischen Mittenfrequenz die Wechselwirkungs-These known acousto-optic light deflectors there are some problems attached. In particular for a given acoustic center frequency, the interaction
zu vergrößern, länge L verringert werden, um den Ablenkwinkel ^, der wiederumto enlarge, length L be reduced to the deflection angle ^, which in turn
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höherer akustischer Leistung bedarf. Tatsächlich wird, die akustische Leistung bei vernünftigen Ablenkwinkeln und Wirkungsgraden in bekannten DauerStricheinrichtungen so hoch, daß thermische Spannungen im akustooptisehen Material das gebeugte Lichtstrahlenbündel stark verzerren.higher acoustic performance is required. In fact, that will acoustic performance at reasonable deflection angles and efficiencies in known permanent line devices so high that thermal stresses in the acousto-optic material strongly distort diffracted light beams.
1967 wurde jedoch von R.W. Dixon postiliert, daß Abweichungen von der normalen Bragg'sehen Beugung auftreten, wenn dem einfallenden Lichtstrahlenbündel eine Ausbreitungsrichtung senkrecht zur optischen Achse eines einachsigen doppelbrechenden Kristalls gegeben wird. In einem Artikel mit dem Titel "Acoustic Diffraction of Light in Anisotropie Media" in IEEE Journal of Quantum Electronics, OE-3, 85 (1967) gab er an, daß eine dieser Abweichungen darin besteht, daß der Einfallwinkel 0 nicht mehr gleich dem Ablenkwinkel φ zu sein braucht. Außerdem wies er darauf hin, daß der Ablenkwinkel, aufgetragen über der akustischen Frequenzcharakteristik derartiger doppelbrechende Medien verwendenden Ablenkeinrichtungen eine Extremstelle (inflectionpoint) bei einer Frequenz f' hat, bei der dO/df =0. Durch Frequenzmodulation der akustischen Welle um eine Mittenfrequenz, die gleich f. ist, wies Dixon nach, daß größere Beugungswinkel φ erzielt werden konnten als bisher.In 1967, however, RW Dixon postulated that deviations from normal Bragg's diffraction occur when the incident light beam is given a direction of propagation perpendicular to the optical axis of a uniaxial birefringent crystal. In an article entitled "Acoustic Diffraction of Light in Anisotropy Media" in the IEEE Journal of Quantum Electronics , OE-3 , 85 (1967), he stated that one of these deviations is that the angle of incidence θ is no longer equal to the angle of deflection φ needs to be. He also pointed out that the deflection angle, plotted against the acoustic frequency characteristics of deflection devices using such birefringent media, has an extreme point (inflection point) at a frequency f 'at which dO / df = 0. By frequency modulating the acoustic wave around a center frequency that is equal to f., Dixon proved that larger diffraction angles φ could be achieved than before.
Leider ist die Extremstellenfrequenz f' (inflection point frequency) für die meisten brauchbaren doppelbrechendenUnfortunately, the extreme point frequency f '(inflection point frequency) for most of the useful birefringent ones
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akustooptischen Medien im Gigahertzbereich,in dem akustooptische Verluste sehr hoch sind. Da jedoch die akustooptischen Verluste mit dem Quadrat der akustischen Frequenz abnehmen, wäre es zweckmäßig, ein akustooptisches Material mit einer niedrigeren f' zu verwenden. Außerdem sollte die Schallwelle in einem solchen Material eine relativ niedrige Geschwindigkeit haben, um die Anzahl auflösbarer Punkte entsprechend Gleichung (3) zu vergrößern.acousto-optic media in the gigahertz range in which acousto-optic Losses are very high. However, since the acousto-optical losses decrease with the square of the acoustic frequency, it would be appropriate to use an acousto-optic material with a lower f '. Also, the sound wave should in such a material have a relatively low speed, corresponding to the number of resolvable points To enlarge equation (3).
Ein akustooptisches Material, das doppelbrechend ist und eine relativ niedrige Geschwindigkeit für sich längs der £llOJ Richtung ausbreitende Scherwellen hat, ist TeO5, das von N. Uchida et al in Journal pf Applied Physics, 40, 4692 (1969) angegeben wurde. Unter Verwendung der Lehren von Dixon berechnet man eine Extremstellenfrequenz f β 1,17 GHz für eine optische Wellenlänge von etwa 0,44 «m und sich in der Cliol Richtung in TeO3 ausbreitenden Scherwelle. Selbst bei 1,15yum, ein Wert, der noch innerhalb des optischen Durchlaßbandes (0,33 /um bis 4,5 yum) von TeOp liegt, ist f etwa 0,45 GHz, also noch relativ hoch. Daher würde eine Ablenkeinrichtung, welche zum Ausnutzen der Doppelbrechung Te0? geeignet ausgebildet ist, unerwünscht hohe akustische Verluste bei nahezu allen praktikablen optischen Wellenlängen innerhalb ihres Durchlaßbandes erfahren.An acousto-optic material that is birefringent and has a relatively low velocity for shear waves propagating along the £ 110J direction is TeO 5 , which was reported by N. Uchida et al in Journal pf Applied Physics , 40 , 4692 (1969). Using the teachings of Dixon, one calculates an extreme point frequency f β 1.17 GHz for an optical wavelength of about 0.44 m and a shear wave propagating in the Cliol direction in TeO 3. Even at 1.15 yum, a value that is still within the optical passband (0.33 / um to 4.5 yum) of TeOp, f is about 0.45 GHz, i.e. still relatively high. Therefore, a deflecting device which would take advantage of the birefringence Te0 ? is suitably designed to experience undesirably high acoustic losses at almost all practicable optical wavelengths within their passband.
Das Problem der Erzielung hoher Ablenkungen eines optischen Strahlenbündels bei niedrigen akustischen Leistungen wirdThe problem of achieving high deflections of an optical beam at low acoustic powers becomes
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erfindungsgemäß bei einer akustooptischen Anordnung dadurch gelöst, daß eine optische Einrichtung vorgesehen ist, welche das optische Strahlenbündel polarisiert und dem polarisierten Strahlenbündel eine elliptische Form gibt, wobei das elliptisch geformte Strahlenbündel so gerichtet ist, daß es sich in dem Körper unter einem Winkel zu dessen optischer Achse ausbreitet, der größer als Null ist, daß der Einfallwinkel des optischen Strahlenbündels über der akustischen Frequenzcharakteristik des Körpers eine Extremstelle hat, die für verschiedene optische Wellenlängen bei unterschiedlichen Frequenzen auftritt, und daß die Mittenfrequehz der Frequenzmodulationseinrichtung angenähert gleich der der Wellenlänge des optischen Strahlenbündels entsprechenden Extremstellenfrequenz ist.according to the invention in an acousto-optical arrangement thereby solved that an optical device is provided which polarizes the optical beam and the polarized Beams are an elliptical shape, the elliptical beam is directed so that it is in the Body spreads at an angle to its optical axis which is greater than zero that the angle of incidence of the optical The beam of rays over the acoustic frequency characteristic of the body has an extreme point which is different for different optical wavelengths occurs at different frequencies, and that the center frequency of the frequency modulation device approximately equal to the extreme point frequency corresponding to the wavelength of the optical beam is.
In der Zeichnung zeigenShow in the drawing
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführung sbei spiels der Erfindung;Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment sbei game of the invention;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht auf den TeO--Körper der Fig. 1;FIG. 2 shows an enlarged view of the TeO body from FIG. 1; FIG.
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines LiNb(K-Wandlers zur Verwendung in der Ausführung sform nach Fig. 2; 3 is an enlarged view of a LiNb (K converter for use in the embodiment according to FIG. 2;
Fig. 4 verschiedene Richtungen der Licht- und akustischen Strahlenbündel, bezogen auf die optische Achse;Fig. 4 different directions of the light and acoustic beam, based on the optical axis;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Einfall-Fig. 5 is a graphical representation of the incidence
und/oder Ablenkwinkel über der akustischen Frequenz sowohl für normale Bragg'sehe Ablenkung (Kurve Ka)) und Ablenkung entsprechend dem Erfindungsvarschlag (Kurven IKa) und III Ca)) ; undand / or deflection angle versus acoustic frequency for both normal Bragg's Deflection (curve Ka)) and deflection according to the invention (curves IKa) and III Ca)); and
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Fig. 6 eine analoge Darstellung der Fig. 5 mit Kurven für drei unterschiedliche optische Wellenlängen,FIG. 6 shows an illustration analogous to FIG. 5 with curves for three different optical wavelengths,
Es wird hier erstmals angegeben, daß die Extremstellenfrequenz (inflection point frequency) von Paratellurit TeO» auf den brauchbaren Zehn-Megahertz-Bereich reduziert werten kann, wo akustische Verluste relativ gering sind, indem die optische Aktivität des Materials anstelle seiner Doppelbrechung ausgenutzt wird. Die optische Aktivität, die genauer in "Fundamentals of Optics", Ch. 28, McGraw Hill (3. Auflage 1957) von Jenkins und White erläutert wurde, ist die Eigenschaft eines Materials, durch die sich parallel zur optischen Achse ausbreitendes elliptisch oder zirkulär polarisiertes Licht eine von zwei Fortpflanzungsgeschwindigkeiten hat, die von der Art der Polarisation abhängig ist. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die akustischen Scherwellen so gerichtet, daß sie sich längs der C 110^ Achse im TeO _ ausbreiten, und ein elliptisch polarisierter Lichtstrahl wird so gerichtet, daß er sich unter einem spitzen Winkel y1 zur optischen Achse des TeO0 Kristalls ausbreitet. An der Extremstellenfrequenz verläuft das abgelenkte Lichtstrahlenbündel im wesentlichen senkrecht zur ^10*3 Achse. Diese Kombination führt zu Extremstellenfrequenzen im Bereich von etwa 18 MHz bis 82 MHz für optische Wellenlängen im Bereich von 1,15 win bis 0,4416 μπι. Für einen vorgegebenen Einfallwinkel θ und eine vorgegebeneIt is stated here for the first time that the inflection point frequency of paratellurite TeO »can be reduced to the useful ten-megahertz range, where acoustic losses are relatively low by using the optical activity of the material instead of its birefringence. The optical activity, which was explained in more detail in "Fundamentals of Optics", Ch. 28, McGraw Hill (3rd edition 1957) by Jenkins and White, is the property of a material through which elliptically or circularly polarized propagating parallel to the optical axis Light has one of two propagation speeds, which depends on the type of polarization. In one embodiment of the invention, the acoustic shear waves are directed so that they propagate along the C 110 ^ axis in TeO _, and an elliptically polarized light beam is directed so that it is at an acute angle y 1 to the optical axis of TeO 0 Crystal spreads. At the extreme point frequency, the deflected light beam runs essentially perpendicular to the ^ 10 * 3 axis. This combination leads to extreme point frequencies in the range from about 18 MHz to 82 MHz for optical wavelengths in the range from 1.15 to 0.4416 μπι. For a given angle of incidence θ and a given one
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Wechselwirkungslänge L kann das gebeugte Lichtsirahlen bündel über einen größeren Winkelbereich abgelenkt werden, als dies bisher möglich war (z.B. 2 Grad im Vergleich zu 0,4 Grad in PbMoO4), oder bei einer vorgegebenen Bandbreite &f kann die Wechselwirkungslänge L größer gemacht werden, wodurch die benötigte akustische Leistung verringert wird und die mit den thermischen Spannungen verbundenen Probleme ausgeräumt werden.Interaction length L, the diffracted light bundle can be deflected over a larger angular range than was previously possible (e.g. 2 degrees compared to 0.4 degrees in PbMoO 4 ), or with a given bandwidth & f , the interaction length L can be made larger, whereby the required acoustic power is reduced and the problems associated with thermal stresses are eliminated.
Es wurde außerdem gefunden, daß zur Erzielung der zuvor · genannten sehr erwünschten Eigenschaften vorzugsweise Paratellurit-TeO5 im Einkristallziehverfahren nach CzochralskiIt has also been found that, in order to achieve the aforementioned very desirable properties, paratellurite-TeO 5 is preferably used in the Czochralski single crystal pulling process
^1. aus^ 1 . the end
aus einem Ausgangsmaterial gezüchtet wird, welches/zu wenigstens 99,9999 Prozent reinem polykristallinem Tellurdioxid besteht. In der nachfolgenden Beschreibung wird unter TeO„ Paratellurit-TeOp verständen.is grown from a starting material which is at least 99.9999 percent pure polycrystalline tellurium dioxide consists. In the following description under TeO " Understand Paratellurite TeOp.
In Fig. 1 ist schematisch eine Lichtstrahlen-Ablenkanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Ein linear polarisiertes Lichtstrahlenbündel, das von einem L'aser 10 erzeugt wird, wird durch eine Viertelwellenplatte 12 geschickt, wo es in zirkulär polarisiertes Licht umgewandelt wird. Gegebenenfalls kann die Platte 12 durch einen bekannten Kompensator, z.B. einen Soelil-Babinet-Kompensator zur Erzeugung leicht elliptisch polarisierten Lichtes ersetzt werden, um die außerhalb der optischen Achse verlaufende Rich-In Fig. 1, a light beam deflection arrangement according to an embodiment of the invention is shown schematically. A linearly polarized light beam, which is generated by an L'aser 10, is passed through a quarter-wave plate 12 sent where it is converted into circularly polarized light will. If necessary, the plate 12 can be produced by a known compensator, for example a Soelil-Babinet compensator slightly elliptically polarized light can be replaced in order to avoid the direction running outside the optical axis.
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tung des Lichtstrahlenbündels zu kompensieren, wie dies nachfolgend beschrieben wird. Als nächstes wird das polarisierte Lichtstrahlenbündel durch eine zylindrische Linse 14 geschickt, um eine asymmetrische (elliptische) Intensität sverteilung hervorzurufen, welche die Öffnung D vergrößert und daher die Anzahl auflösbarer Punkte entsprechend Gleichung (3) erhöht. Gleichzeitig verringert ein elliptisch geformtes Strahlenbündel den Strahlenbündelquerschnitt in Richtung normal zur Ablenkrichtung, was bedeutet, daß die Wandlergröße in dieser Richtung ebenfalls verringert werden kann. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, ein TeO? Kristall geringerer Größe und geringere akustische Energie zu verwenden. To compensate for the direction of the light beam, as will be described below. Next, the polarized light beam is passed through a cylindrical lens 14 to produce an asymmetrical (elliptical) intensity distribution which enlarges the aperture D and therefore increases the number of resolvable points according to equation (3). At the same time, an elliptically shaped beam reduces the beam cross-section in the direction normal to the deflection direction, which means that the transducer size can also be reduced in this direction. This gives the possibility of a TeO ? Use crystal of smaller size and lower acoustic energy.
Das elliptisch geformte und elliptisch polarisierte Lichtstrahlenbündel wird von einer Linse 16 auf den TeOp Körper 18 fokussiert. Nachdem das Lichtstrahlenbündel und die akustischen Wellen im Körper 18 in Wechselwirkung getreten sind, wird das abgelenkte Lichtstrahlenbündel von einem Teleskoplinsensystem 28 auf einen Verbraucher 30 fokussiert. Letzterer bezeichnet allgemein die vielfältigen Anwendungsfälle akustooptischer Ablenkeinrichtungen bzw. Deflektoren in beispielsweise Echtzeitanzeigesystemen, Hartkopiersystemen und Verarbeitungsvorgängen.The elliptically shaped and elliptically polarized light beam is focused on the TeOp body 18 by a lens 16. After the light beam and the Acoustic waves in the body 18 have interacted, the deflected light beam from a Telescopic lens system 28 focused on a consumer 30. The latter generally designates the diverse applications of acousto-optical deflectors or deflectors in, for example, real-time display systems, hard copy systems, and processing operations.
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Wie genau in Fig. 2 gezeigt ist, weist der TeO2 Körper 18 an einem Ende 18a einen Wandler 20 auf, an dem eine Elektrode 22 ausgebildet ist. Letztere ist mit einem Oszillator 24, (Fig. 1) verbunden, der ein frequenzmoduliertes e3äctrisches Ausgangssignal erzeugen kann, welches über einen Wandler 20 eine akustische oder elastische Scherwelle in Richtung des Vektors K wirft, d.h., die akustische Scherwelle breitet sich in der 'ClIO^ Richtung aus und hat einen Versetzung svektor in der [ITlOUl Richtung. Die LH0~3 Richtung ist für Scherwellen aus dem Grunde vorgesehen, da die akustische Geschwindigkeit .von TeO2 in dieser Richtung am geringsten, nämlich etwa 0,617 χ 10 cm/sec ist, wodurch die Anzahl von durch den Deflektor auflösbaren Punkten N entsprechend Gleichung (3) erhöht wird. Wie in Fig., 4 gezeigt ist, breitet sich das einfallende Lichtstrahlenbündel allgemein unter einem kleinen Winkel -f* zur optischen Achse aus, wobei >ζ ungleich Null und typischerweise kleiner als etwa 20 Grad ist. Die sowohl die Licht- alsauch akustischen Strahlenbündel enthaltende Ebene P bildet allgemein einen Winkel mit der optischen Achse, wobei β in typischer Ausführung kleiner als etwa 20 Grad ist und Null werden kann. Außerdem steht das einfallende Lichtstrahlenbündel unter einem kleinen Winkel, θ (z.B. 1 bis 3 Grad), dem Bragg'sehen Winkel, zu der Normalen zur Richtung der akustischen WeJLlen.As is shown precisely in FIG. 2, the TeO 2 body 18 has at one end 18a a transducer 20 on which an electrode 22 is formed. The latter is connected to an oscillator 24 (FIG. 1) which can generate a frequency-modulated electrical output signal which, via a transducer 20, throws an acoustic or elastic shear wave in the direction of the vector K, ie the acoustic shear wave propagates in the ClIO ^ Direction and has a displacement svektor in the [ITlOUl direction. The LH0 ~ 3 direction is intended for shear waves because the acoustic velocity of TeO 2 is lowest in this direction, namely about 0.617 χ 10 cm / sec, whereby the number of points N that can be resolved by the deflector is according to equation ( 3) is increased. As shown in Fig. 4, the incident light beam propagates generally at a small angle -f * to the optical axis, where > ζ is non-zero and typically less than about 20 degrees. The plane P containing both the light and acoustic beams generally forms an angle with the optical axis, where β is typically less than about 20 degrees and can become zero. In addition, the incident light beam is at a small angle, θ (for example 1 to 3 degrees), the Bragg's angle, to the normal to the direction of the acoustic waves.
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Im Betrieb treten die Scherwellen mit dem einfallenden Lichtstrahlenbündel in Wechselwirkung, das durch einen auf den akustischen Frequenzhub Δf bezogenen Winkelbereich abgelenkt ist. Es ist wesentlich, daß der Lichtstrahlen-Einfallwinkel über der akustischen Frequenzcharakteristik eine Extremstelle bzw. einen Wendepunkt zeigt, an der bzw. an dem das abgelenkte Strahlenbündel im wesentlichen rechtwinklig zum akustischen Strahlenbündel steht, d.h. rechtwinklig zur [jllOj Richtung. Es ist zu beachten, daß bei einer vorgegebenen Extremstellenfrequenz die Winkel )f, β und θ einheitlich bestimmt sind. Wenn das Lichtstrahlenbündel in der (lTO)Ebene (ß = 0) liegt, so ist der Winkel f gleich dem Winkel Θ. Die durch die akustischen und Licht-Strahlenbündel bestimmte Ebene P kann um das akustische Strahlenbündel (d.h. β Φ 0) gedreht werden. Dann ist das Lichtstrahlenbündel von der optischen Achse weiter entfernt, trifft jedoch noch auf die akustischen Wellen unter dem Winkel Θ. In der Praxis wurde gefunden, daß das Lichtstrahlenbündel bis zu 20 Grad außerhalb der optischen Achse liegen kann. Wenn jedoch der Winkel y zwischen dem Lichtstrahlenbündel und der optischen Achse größer wird, so treten zwei Effekte auf: (1) die Extremstellenfrequenz f wird erhöht, wodurch die akustischen Verluste anwachsen; dies kann in einigen Fällen erwünscht sein, da die Extremstellen- bzw. Wendepunktefrequenz bei einem besonderen Anwendungsfall zu klein sein kann, und (2) der Ablenkwirkungsgrad, d.h. der abgelenkte Teil des einfal-During operation, the shear waves interact with the incident light beam, which is deflected by an angular range related to the acoustic frequency deviation Δf. It is essential that the angle of incidence of the light rays over the acoustic frequency characteristic shows an extreme point or a turning point at which the deflected bundle of rays is essentially at right angles to the acoustic bundle of rays, ie at right angles to the direction. It should be noted that for a given extreme point frequency the angles) f, β and θ are uniformly determined. If the light beam lies in the (ITO) plane (ß = 0), the angle f is equal to the angle Θ. The plane P determined by the acoustic and light beams can be rotated around the acoustic beam (ie β Φ 0). Then the light beam is further away from the optical axis, but still hits the acoustic waves at the angle Θ. In practice it has been found that the light beam can lie up to 20 degrees outside the optical axis. However, if the angle y between the light beam and the optical axis increases, two effects occur: (1) the extreme point frequency f is increased, whereby the acoustic losses increase; this may be desirable in some cases, since the extreme point or turning point frequency may be too small in a particular application, and (2) the deflection efficiency, i.e. the deflected part of the incident
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lenden Strahlenbündels, wird wesentlich verringert. So ergab es sich beispielsweise anhand von Messungen mit Licht bei 0,4416 /um in der (TlO) Ebene ψ = 0 ,£ = θ =3Grad). daß f = 82 MHz und daß in dem um f gemitteten-Frequenzband ein Ablenkwirkungsgrad von 90 Prozent erreicht wird. Demgegenüber ergaben Messungen für p = 12 Grad, "^ = 13 Grad und θ = 4 Grad angenähert ein f' = 110 MHz und einen maximalen Ablenkwirkungsgrad von 40 bis 45 %.lumbar ray beam, is significantly reduced. For example, based on measurements with light at 0.4416 / μm in the (T10) plane ψ = 0, £ = θ = 3 degrees). that f = 82 MHz and that a deflection efficiency of 90 percent is achieved in the frequency band averaged around f. In contrast, measurements for p = 12 degrees, "^ = 13 degrees and θ = 4 degrees approximated an f '= 110 MHz and a maximum deflection efficiency of 40 to 45%.
Das dem die akustischen Wellen abstrahlenden Ende 18a gegenüberliegende Ende 18b des TeOp Körpers ist mit einem akustischen Absorber 26 ausgestattet",· der Reflexionen der akustischen Welle am Ende 18b reduziert und dadurch nachfolgende Störwechsel Wirkungen mit dem Lichtstrahl verringert. Zu diesem Zweck sollte die mechanische Impedanz des Absorbers so nahe als möglich derjenigen des TeO ? Körpers angepaßt sein. Sofern jedoch eine Fehlanpassung besteht, kann das Ende 18b unter einem kleinen Winkel zur [1103 Richtung ausgebildet werden, so daß die reflektierten akustischen Wellen aus der Zone abgelenkt werden, in der die akustooptische Wechselwirkung stattfindet. Gegebenenfalls kann der Absorber 26 in einem Kühlkörper 3 2 angebracht werden, der besonders in dem Falle zweckmäßig ist, wenn der Reflektor auf einer Dauerstrichbasis betrieben wird.The end 18b of the TeOp body opposite the end 18a radiating the acoustic waves is equipped with an acoustic absorber 26 ", which reduces reflections of the acoustic wave at the end 18b and thereby reduces subsequent interference effects with the light beam. For this purpose, the mechanical impedance as close to the absorber as possible to that of the TeO? be adapted to the body. However, where a mismatch is, the end 18b 1103 may direction are formed at a small angle to the [so that the reflected acoustic waves are deflected from the zone in which the If necessary, the absorber 26 can be mounted in a cooling body 32, which is particularly useful in the case when the reflector is operated on a continuous wave basis.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde der TeOp Körper im Einkristallziehverfahren nach Czochralski gezüchtet, wobei als Ausgangsmaterial kommerziell verfügbares TeO„ Pulver mit einer Reinheit von 99,9999 Prozent verwendet wurde. Es wurde gefunden, daß die Reinheit des Ausgangsmaterials in direkter Beziehung mit der Qualität des gezüchteten TeO« Kristalls steht. D.h., wesentlich geringere optische Streuverluste, sowie niedrigere akustische Absorbtionsverluste wurden dann erzielt, wenn das TeOp-Ausgangsmaterial den obengenannten, auf sechs Neunen bezogenen Reinheitsgrad hatte, im Vergleich zu bisher verwendeten Ausgangsmaterialien mit einem Reinheitsgrad von 99,98 Prozent. So beträgt bei 50 MHz die akustische Dämpfung bei bekanntem TeOp etwa 0,23 db//Js, während bei dem erfindungsgemäßen TeOp nur eine Dämpfung von etwa 0,04 db/zu^aJso nahezu um den Faktor sechs niedriger auftritt. In ähnlicher Weise betrugen die Verluste bei 100 MHz mit bekanntem TeO2 0,40 db/^.us, während bei dem erfindungsgemäß benutzten TeOp Verluste von nur etwa 0,13 db/us, also um den Faktor drei niedriger, auftraten.In one embodiment of the invention, the TeOp body was grown in the single crystal pulling method according to Czochralski, using commercially available TeO "powder with a purity of 99.9999 percent as the starting material. It has been found that the purity of the starting material is directly related to the quality of the grown TeO «crystal. In other words, significantly lower optical scattering losses and lower acoustic absorption losses were achieved if the TeOp starting material had the above-mentioned degree of purity, based on six nines, compared to the starting materials previously used with a degree of purity of 99.98 percent. Thus, at 50 MHz, the acoustic attenuation with a known TeOp is about 0.23 db // Js, while with the TeOp according to the invention there is only an attenuation of about 0.04 db / to ^ aJso almost a factor of six lower. Similarly, the losses at 100 MHz with known TeO 2 were 0.40 db / μs, while with the TeOp used according to the invention, losses of only about 0.13 db / us, that is, a factor of three lower, occurred.
Unter Verwendung dieser hochwertigen TeOp Kristalle wurde eine akustooptische Licht-Ablenkeinrichtung aufgebaut, welche der gegenwär-tig besten, Bleimolybdat verwendenden Ablenkeinrichtung bei weitem überlegen war. Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, hat der TeO- Körper die Abmessungen w = 8 mrn, h = 9 ram und 1 = 22 mm. Ein x-Schnitt-LiNbO_-Wandler einerUsing these high-quality TeOp crystals, an acousto-optical light deflection device was set up, which currently the best deflector using lead molybdate was far superior. As shown in Fig. 2, the TeO body has the dimensions w = 8 mrn, h = 9 ram and 1 = 22 mm. An x-section LiNbO_ converter one
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Stärke von etwa 48 /um und geschnitten in der in Fig. 3 gezeigten Weise wurde verwendet. D.h., der Versetzungsvektor befand sich in der [JlO~} Richtung und bei 41 Grad bzw. 49 Grad zur z-Achse bzw. zur y-Achse entsprechend den Vorschlägen gemäß US-PS 3 591 813. Bei Ansteuerung durch den Oszillator 24 richtete dieser X-Schnitt-Wandler akustische Scherwellen längs der [J1Ö3 Richtung in den TeO2 Körper 18. Der Absorber 26 wies einen Magnesiumblock auf, der mit Epoxid an dem Ende 18b befestigt war, das unter 2 Grad zur Normalen geschnitten wurde. Die mechanische Impedanz von Magnesium beträgt etwa 5,3 im Vergleich zu·3,6 für TeO?. Diese Fehlanpassung rief eine akustische Reflexion von etwa 4 Prozent hervor, welche aufgrund der schrägen Schnittführung der Endfläche 18b abgelenkt wurde.Thickness of about 48 µm and cut as shown in Figure 3 was used. That is, the displacement vector was in the [J10 ~} direction and at 41 degrees or 49 degrees to the z-axis or to the y-axis in accordance with the proposals according to US Pat. No. 3,591,813 X-cut transducer acoustic shear waves along the [J103 direction into the TeO 2 body 18. The absorber 26 comprised a magnesium block attached with epoxy to the end 18b that was cut at 2 degrees from normal. The mechanical impedance of magnesium is around 5.3 compared to · 3.6 for TeO ? . This mismatch caused an acoustic reflection of about 4 percent, which was deflected due to the inclined cut of the end face 18b.
Im Betrieb wurde das von einem bei 0,4416 Aim arbeitenden HeCd-Laser erzeugte Lichtstrahlenbündel mit Hilfe eines Soelil-Babinet-Kompensators leicht elliptisch polarisiert und in die (TlO) Ebene (/5=0 Grad) unter einem Winkel ^ = θ von etwa 3 Grad zur optischen Achse (d.h. zur LOOi} Richtung) des TeOp Körpers 18 gerichtet. Durch Frequenzmodulation des elektrischen Ausgangssignals des Oszillators 24 wurde die akustische Frequenz über einen Bereich von etwa 40 MHz bis auf etwa 120 MHz gewobbelt und die Einfall- und Ablenkwinkel wurden gemessen und entsprechend Fig. 5 aufgezeichnet.In operation this was done by one working at 0.4416 Aim HeCd laser generated light beams with the help of a Soelil-Babinet compensator, slightly elliptically polarized and in the (T10) plane (/ 5 = 0 degrees) at an angle ^ = θ from about 3 degrees to the optical axis (i.e. to the LOOi} direction) of the TeOp body 18 directed. By frequency modulation The electrical output of the oscillator 24 was the acoustic frequency over a range of about 40 MHz swept up to about 120 MHz and the angles of incidence and deflection were measured and recorded as shown in FIG.
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Kurve II (a) gibt den Winkel des einfallenden Lichtstrahlenbündels und Kurve III(a) den entsprechenden Winkel des abgelenkten Strahlenbündels für jede akustische Frequenz an. Demgegenüber zeigt die Kurve Ka) sowohl den Einfallwinkel als auch den Ablenkwinkel (welche gleich sind) für normale Bragg1sehe Ablenkung. Es ist zu beachten, daß ein zirkular polarisiertes Strahlenbündel als einfallendes Licht so gewählt wurde, daß Kurve II(a) mit der ..Extremstelle sich für das einfallende Strahlenbündel ergab.Curve II (a) gives the angle of the incident light beam and curve III (a) the corresponding angle of the deflected beam for each acoustic frequency. In contrast, the curve Ka) shows both the angle of incidence and the angle of deflection (which are the same) for normal Bragg 1 see deflection. It should be noted that a circularly polarized bundle of rays was chosen as the incident light in such a way that curve II (a) with the ... extreme point resulted for the incident bundle of rays.
Bei einer optischen Wellenlänge von 0,4416 /um erscheint die Extremstelle bei angenähert f = 82 MHz, was dem Punkt entspricht, bei dem der Winkel des abgelenkten Strahlenbündels Null Grad ist, und erscheint bei einem Einfallwinkel (3,2 Grad), der zweimal so groß vie derjenige bei normaler Bragg'scher Ablenkung (1,6 Grad) ist. Beispielsweise muß bei einer 60 Prozent Bandbreite (d.h. 82 _+ 25 MHz) l die Streuung des einfallenden LichtstrahlenbündelsAt an optical wavelength of 0.4416 / µm, appears the extreme point at approximately f = 82 MHz, which is the point corresponds to where the angle of the deflected beam is zero degrees and appears at an angle of incidence (3.2 degrees), which is twice that of normal Bragg deflection (1.6 degrees). For example With a 60 percent bandwidth (i.e. 82 + 25 MHz) l must be the scattering of the incident light beam
(Δθ = A/L) etwa 1,2 Grad für normale Bragg'sehe Ablenkung jedoch nur etwa 0,2 Grad bei der erfindungsgemäßen Ausführung sein. Ferner kann eine Wechselwirkungslänge L verwendet werden, welche um den Faktor 6 größer ist, was bedeutet, daß die akustische Leistung um einen Faktor von etwa sechs verringert und die Leistungsdichte um einen Faktor von etwa sechsunddreißig reduziert werfen kann. Die mit der thermischen Spannung verbundenen Probleme werden beträchtlich(Δθ = A / L) about 1.2 degrees for normal Bragg's deflection however, only be about 0.2 degrees in the embodiment of the invention. Furthermore, an interaction length L can be used which is larger by a factor of 6, which means that the acoustic performance by a factor of about six reduced and the power density reduced by a factor of about thirty-six can throw. The one with the Problems associated with thermal stress become significant
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verringert, insbesondere dann, wenn die Ablenkeinrichtung auf einer Dauerstrichbasis betrieben wird. Unter Verwendung dieses Ablenksystems wurden 500 auflösbare Punkte mit einer 10 us Zugriffszeit bei 50 mW akustischer Leistung und 70 Prozent Ablenkwirkungsgrad erreicht. Im Vergleich hierzu würde ein B,leimolybdat-Ablenksystem etwa 2 Watt akustischer Leistung zur Erzielung der gleichen Werte benötigen, oder er würde einen Ablenkwirkungsgrad von nur etwa 2 Prozent bei der gleichen akustischen Leistung haben.reduced, especially when the deflector is on is operated on a continuous wave basis. Using this deflection system, there were 500 resolvable points with a 10 us access time at 50 mW acoustic power and achieved 70 percent deflection efficiency. In comparison, a B, glue molybdate deflection system would be about 2 watts acoustic performance to achieve the same values, or it would have a deflection efficiency of only have about 2 percent with the same acoustic performance.
Die Kurven Ka) und II(a) der Fig. 5 sind in Fig. 6 reproduziert, wo die akustische Frequenz logarithmisch aufgetragen ist. Ferner sind in Fig. 6 Kurven 1Kb) und IKc) gezeigt, welche die Lichtstrahlen-Einfallwinkel bei Wellenlängen von 0,6328 um bzw. 1,15 um, zwei typische Ausgangsstrahlungen eines He-Ne-Lasers, darstellen.- Die Kurven Kb) und Kc) sind entsprechende Darstellungen für normale Bragg'sehe Ablenkung. Es ist zu beachten, daß die Wellenlänge von Licht von 0,4416 Aim auf 0,6328 um und 1,15 /um zunimmt, während die ExtremStellenfrequenz von etwa 82 MHz auf 40 MHz und 18 MHz abnimmt.The curves Ka) and II (a) of Fig. 5 are reproduced in Fig. 6, where the acoustic frequency is plotted logarithmically. Furthermore, in Fig. 6 curves 1Kb) and IKc) showing the angles of incidence of light rays at wavelengths of 0.6328 µm and 1.15 µm, respectively, two typical Output radiation from a He-Ne laser Curves Kb) and Kc) are corresponding representations for normal Bragg's deflection. It should be noted that the wavelength of light from 0.4416 Aim to 0.6328 µm and 1.15 / µm increases while the extreme site frequency decreases from about 82 MHz to 40 MHz and 18 MHz.
Verschiedene mögliche Ausführungen ergeben sich bei diesen unterschiedlichen Extremstellenfrequenzen. Wird an—Various possible designs result from these different extreme point frequencies. We then-
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genommen, daß eine 3 db akustische Dämpfung über die Lichtstrahienbündelöffnung (d.h. in der [11Ö]Richtung) zulässig ist, so kann bei 0,4416 /um und einer akustischen Mittenfrequenz von etwa 82 MHz = f die Lichtstrahlenbündelöffnung D angenähert 1 cm sein, und eine 60 prozentige Bandbreite würde N = 750 auflösbare Punkte gemäß Gleichung (3) ergeben. Die Zugriffszeit X würde etwa 16 us betragen. Andererseits könnte die Öffnung D = 0,62 cm für N = 500 Punkte und *- = 10 jus sein. Das zuletzt genannte System würde besonders zweckmäßig für Echtzeitanzeige- oder Hartkopiersysteme sein. Demgegenüber ist bei einer optischen Wellenlänge von 0,6328 um und einer akustischen Mittenfrequenz von etwa 40 MHz = f' eine höhere Kapazität N möglich, da die akustische Dämpfung mit dem Quadrat der akustischen Frequenz abnimmt. Nimmt man wiederum eine 3 db akustische Dämpfung über die Öffnung und eine 60 prozentige Bandbreite an, so kann die Öffnung D etwa 3,5 cmassuming that 3 db acoustic attenuation via the light beam opening (ie in the [11Ö] direction) is permissible, the light beam opening D can be approximately 1 cm at 0.4416 / µm and an acoustic center frequency of about 82 MHz = f, and a 60 percent bandwidth would result in N = 750 resolvable points according to equation (3). The access time X would be about 16 µs. On the other hand, the opening could be D = 0.62 cm for N = 500 points and * - = 10 jus. The latter system would be particularly useful for real time display or hard copy systems. In contrast, with an optical wavelength of 0.6328 μm and an acoustic center frequency of approximately 40 MHz = f ', a higher capacitance N is possible, since the acoustic attenuation decreases with the square of the acoustic frequency. If one again assumes a 3 db acoustic attenuation over the opening and a 60 percent bandwidth, the opening D can be about 3.5 cm
rfrf
sein, was zu N = 1600 Punkten und L = 60 jus führt. Weitere Verbesserungen können durch Verwendung optischer Wellenlängen im infraroten Bereich, z.B. der 1,15 yum-Linie des He-Ne-Lasers erreicht werden, bei der f angenähert gleich 18 MHz ist. Beispielsweise können N = 5000 Punkte bei ~ = 500 /us erreicht werden, vorausgesetzt, daß ein TeO?-Kristall ausreichender Größe gezüchtet werden kann (z.B. ein 30 cm langer Kristall). In alternativer Ausführung können N =which leads to N = 1600 points and L = 60 jus. Further improvements can be achieved by using optical wavelengths in the infrared range, for example the 1.15 µm line of the He-Ne laser, at which f is approximately equal to 18 MHz. For example, N = 5000 points can be achieved at ~ = 500 / µs, provided that a TeO ? -Crystal of sufficient size can be grown (e.g. a 30 cm long crystal). As an alternative, N =
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500 Punkte bei ^ = 50 Aas in einem 3 cm langen Stab aus TeOp erzielt werden. Das zuletzt genannte System ist beispielsweise bei Verwendung der relativ leistungsstarken 1,06 ium Linie eines Nd dotierten Yttriumaluminiumgranat-.Lasers besonders zweckmäßig für Behandlungs- bzw. Verarbeitung svorgänge. -500 points at ^ = 50 carrion in a 3 cm long stick TeOp can be achieved. The latter system is for example when using the relatively powerful 1.06 µm line of an Nd-doped yttrium aluminum garnet laser, particularly useful for treatment or processing operations. -
Wenn auch zuvor die Ablenkung von Licht bei speziellen Wellenlängen beschrieben worden ist, so ist zu brachten, daß das neue Ablenksystem für alle optischen Wellenlängai im optischen Durchlaßband von Te0_ brauchbar ist, d.h. im Bereich von angenähert 0,33 /um bis 4,5 /um. Zusätzlich kann ein Paar von Ablenkeinrichtungen zur Ablenkung in orthogonalen Richtungen verwendet werden, oder es kann eine der Ablenkeinrichtungen zum raschen Abtasten in einer Richtung und eine andere, z.B. ein Galvanometer zum langsameren Abtasten in einer orthogonalen Richtung verwendet werden. Die zuletzt genannte Anordnung kann besonders zweckmäßig zur Bildung eines Rasters in einem Echtzeitanzeigesystem verwen'det werden.Even if the deflection of light at special wavelengths has been described above, it is important to that the new deflection system is useful for all optical wavelengths in the optical passband of Te0_, i.e. in the range of approximately 0.33 µm to 4.5 µm. Additionally a pair of deflectors can be used to deflect in orthogonal directions, or it can one of the deflectors for rapid unidirectional scanning and another such as a galvanometer can be used for slower scanning in an orthogonal direction. The latter arrangement can are particularly useful for forming a grid in a real-time display system.
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